DE69104393T2 - Flat-shaped cold cathode with pointed ends and manufacturing method of the same. - Google Patents
Flat-shaped cold cathode with pointed ends and manufacturing method of the same.Info
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Description
Die Erfindung betrifft allgemein eine Elektronenquelle in Gestalt einer flachen Kaltkathode mit spitzen Endbereichen, die einen minimalen Krümmungsradius haben.The invention relates generally to an electron source in the form of a flat cold cathode with pointed end regions having a minimal radius of curvature.
Bisher ist eine Vielzahl von Kaltkathoden des Dünnschicht-Feldemissionstyps vorgeschlagen worden. Von diesen soll eine flache Kaltkathode, wie sie in fig. 6 dargestellt ist (vgl. beispielsweise die japanische Offenlegungsschrift SHO 63-274047/1988), in der Lage sein, Elektronen zu emittieren, wenn eine Spannung von 80 V oder darüber angelegt wird. Wie in Fig. 4 dargestellt, ist diese Kaltkathode zusammengesetzt aus einer Kaltkathode 24, die so angeordnet ist, daß sie auf der Oberfläche eines Isolationssubstrats 23 einer Anode 25 gegenübersteht. Auf der der Anode gegenüberstehenden Seite der Kaltkathode wird mit einer Mikrofabrikationstechnik für den Submikron-Bereich eine große Anzahl dreieckiger, konvexer Bereiche gebildet, die jeweils einen spitzen Endbereich mit einem minimalen Krümmungsradius aufweisen. Der Abstand zwischen dem spitzen Endbereich des konvexen Bereichs der Kaltkathode und der Anode beträgt 0,1 um. Wenn an die so aufgebaute Kaltkathode und die Anode eine Spannung von 100 V oder darüber angelegt wird, baut sich wegen des kleinen Krümmungsradius des spitzen Endbereichs der Kaltkathode ein starkes elektrisches Feld von 2 x 10&sup7; V/cm am spitzen Ende des konvexen Bereichs auf, was zur Feldemission von Elektronen am spitzen Endbereich führt.A variety of thin film field emission type cold cathodes have been proposed so far. Among them, a flat cold cathode as shown in Fig. 6 (see, for example, Japanese Laid-Open Publication SHO 63-274047/1988) is said to be capable of emitting electrons when a voltage of 80 V or more is applied. As shown in Fig. 4, this cold cathode is composed of a cold cathode 24 arranged to face an anode 25 on the surface of an insulating substrate 23. On the side of the cold cathode facing the anode, a large number of triangular convex portions each having a pointed end portion with a minimum radius of curvature are formed by a submicron microfabrication technique. The distance between the tip end portion of the convex portion of the cold cathode and the anode is 0.1 µm. When a voltage of 100 V or more is applied to the thus constructed cold cathode and the anode, a strong electric field of 2 x 10⁷ V/cm is generated at the tip end of the convex portion due to the small radius of curvature of the tip end portion of the cold cathode, resulting in field emission of electrons at the tip end portion.
Obwohl die vorgenannte flache Kaltkathode den beschriebenen Vorteil aufweist, muß der Krümmungsradius am spitzen Endbereich der Kaltkathode so klein wie möglich gemacht werden, und die Elektroden müssen in einem Abstand im Submikron-Bereich gebildet werden. Bei dem derzeitigen Mikrofabrikationsverfahren unter Anwendung der bekannten Photoätztechnik liegt der Grenzwert jedoch bei etwa 0,7 um. Um eine Mikrofabrikation im noch kleineren Bereich auszuführen, muß daher eine Atztechnik ohne Maske, beispielsweise die FIB- Technik, angewendet werden. Mit dieser Technik läßt sich jedoch nur schwer eine großflächige Kaltkathode ausbilden, und diese Technik ist außerdem aus Kostengründen im Herstellungsverfahren praktisch nicht einsetzbar.Although the aforementioned flat cold cathode has the above-mentioned advantage, the radius of curvature at the tip end portion of the cold cathode must be made as small as possible and the electrodes must be formed at a submicron pitch. In the current microfabrication process However, using the known photoetching technique, the limit is about 0.7 µm. In order to carry out microfabrication in an even smaller area, an etching technique without a mask, such as the FIB technique, must be used. However, it is difficult to form a large-area cold cathode using this technique, and this technique is also practically unusable in the manufacturing process for cost reasons.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine planare bzw. flache Kaltkathode mit spitzen Enden zur Verfügung zu stellen, die bei relativ geringer Spannung einen Elektronenstrahl erzeugen kann.An object of the present invention is to provide a planar or flat cold cathode with pointed ends which can generate an electron beam at a relatively low voltage.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zum Herstellen flacher Kaltkathoden, die spitze Endbereiche mit einem minimalen Krümmungsradius von 0,1 um oder darunter aufweisen, zur Verfügung zu stellen.Another object of the present invention is to provide a simple method for producing flat cold cathodes having pointed end portions with a minimum radius of curvature of 0.1 µm or less.
Noch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen flacher Kaltkathoden mit spitzen Endbereichen unter Einsatz der lsotropätztechnik zur Verfügung zu stellen.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing flat cold cathodes with pointed end regions using the isotropic etching technique.
Zur Lösung dieser Aufgaben wird erfindungsgemäß eine flache Kaltkathode zum Erzeugen von Elektronenemission in einem Feld zur Verfügung gestellt, aufweisend eine planare Kaltkathode und eine Anode, die so auf einem Isolationssubstrat ausgebildet sind, daß sie einander gegenüberstehen, wobei die Kaltkathoode im wesentlichen dreieckige, konvexe Bereiche aufweist, die in Richtung auf die Anode vorspringen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der zwei spitzen Enden eines jeden der konvexen Bereiche, die durch die Hauptebenen der Kaltkathode definiert sind, einen Krümmungsradius von 0,1 um oder weniger aufweist und daß dieses eine spitze Ende eines jeden der konvexen Bereiche so ausgebildet ist, daß es auf die Anode weiter vorspringt als dessen anderes spitzes Ende.To achieve these objects, the present invention provides a flat cold cathode for generating electron emission in a field, comprising a planar cold cathode and an anode formed on an insulating substrate so as to face each other, the cold cathode having substantially triangular convex portions projecting toward the anode, characterized in that at least one of the two pointed ends of each of the convex portions defined by the main planes of the cold cathode has a radius of curvature of 0.1 µm or less, and that one pointed end of each of the convex portions is formed so as to project toward the anode further than the other pointed end thereof.
Da die erfindungsgemäße planare Kaltkathode sehr spitze Endbereiche mit einem Krümmungsradius von weniger als 0,1 um hat, wird es möglich, eine Elektronenemission bei einer angelegten Spannung von weniger als 100 V zu erzeugen.Since the planar cold cathode according to the invention has very sharp end portions with a radius of curvature of less than 0.1 µm, it becomes possible to generate electron emission at an applied voltage of less than 100 V.
Ferner wird mit der vorliegenden Erfindung ein Herstellungsverfahren für eine Kaltkathode zur Verfügung gestellt, das folgende Schritte aufweist: Bilden einer Resistschicht auf der Schicht aus leitfähigem Material, die auf einer lsolationsschicht vorgesehen ist, wobei die Resistschicht zwei Bereiche aufweist, die voneinander getrennt sind und eine Gestalt ähnlich der einer zu bildenden Kaltkathode mit im wesentlichen dreieckigen, konvexen Bereichen bzw. ähnlich der einer zu bildenden Anode aufweisen; Atzen der Schicht aus leitfähigem Material unter Einsatz der Isotropätztechnik, wobei deren seitliche Atztiefe mindestens mehr beträgt als der Krümmungsradius des spitzen Endes eines jeden dreieckigen, konvexen Bereiches der Resistschicht.Furthermore, the present invention provides a manufacturing method for a cold cathode, comprising the steps of: forming a resist layer on the conductive material layer provided on an insulating layer, the resist layer having two regions separated from each other and having a shape similar to that of a cold cathode to be formed having substantially triangular convex regions or similar to that of an anode to be formed; etching the conductive material layer using the isotropic etching technique, the lateral etching depth of which is at least more than the radius of curvature of the tip end of each triangular convex region of the resist layer.
Bei der vorliegenden Erfindung kann die Resistschicht mittels der herkömmlichen Mikrofabrikationstechnik gebildet werden, weil es möglich ist, sehr spitze Enden der Kaltkathode mit einem Krümmungsradius von 0,1 um oder darunter zu bilden, auch wenn die spitzen Enden von dreieckigen, konvexen Bereichen der Resistschicht nicht ganz so spitz ausgebildet werden wie die erstgenannten.In the present invention, the resist layer can be formed by the conventional microfabrication technique because it is possible to form very sharp ends of the cold cathode with a radius of curvature of 0.1 µm or less, even if the sharp ends of triangular convex portions of the resist layer are not formed quite as sharp as the former.
Wenn die lsotropätztechnik zum Einsatz kommt, wird die Kaltkathodendünnschicht unter der Resistschicht von beiden Seiten des Endbereichs der Resistschicht aus geätzt. Wenn also seitlich geätzt wird, so daß die Atztiefe zumindest größer wird als der Krümmungsradius am spitzen Endbereich der Resistschicht, erhält zumindest der spitze Endbereich an der Oberseite der unter der Resistschicht gebildeten Kaltkathode einen sehr kleinen Krümmungsradius, und durch weiteres Ätzen wird auch der spitze Endbereich an der Unterseite der Kaltkathode sehr klein. Weil der spitze Endbereich an der Unterseite so ausgebildet ist, daß er gegenüber der Oberseite vorspringt, wird außerdem hinsichtlich der Krümmung des spitzen Endbereichs der Kaltkathode in Richtung der Schichtdicke der Krümmungsradius des vorspringenden Bereichs in dieser Richtung sehr klein. Somit kann auch ohne Einsatz einer Mikrofabrikationstechnik für den Submikron-Bereich, wie der FIB-Technik, mit herkömmlicher Ätztechnik eine Kaltkathode mit einem Krümmungsradius von weniger als 0,1 um gebildet werden, was flache Kaltkathoden ergibt, die hinsichtlich der Herstellungskosten deutliche Vorteile aufweisen. Wenn an eine auf diese Weise gebildete Kaltkathode und eine der Kaltkathode gegenüberliegende Anode eine Spannung angelegt wird, baut sich auch bei einem Elektrodenabstand von mehr als 1 um an jedem spitzen Endbereich der Kaltkathode ein starkes elektrisches Feld auf, so daß die flache Kaltkathode bei geringer Spannung funktionsfähig ist.When the isotropic etching technique is used, the cold cathode thin film under the resist film is etched from both sides of the end portion of the resist film. Therefore, if etching is carried out sideways so that the etching depth becomes at least larger than the radius of curvature at the tip end portion of the resist film, at least the tip end portion on the upper side of the cold cathode formed under the resist film becomes a very small radius of curvature, and by further etching, the tip end portion on the lower side of the cold cathode also becomes very small. In addition, because the tip end portion on the lower side is formed so as to protrude from the upper side, with respect to the curvature of the tip end portion of the cold cathode in the direction of the film thickness, the radius of curvature of the protruding portion in this direction becomes very small. Thus, even without using a Submicron microfabrication techniques such as FIB technology can form a cold cathode with a radius of curvature of less than 0.1 µm using conventional etching techniques, resulting in flat cold cathodes that have significant advantages in terms of manufacturing costs. When a voltage is applied to a cold cathode formed in this way and an anode opposite the cold cathode, a strong electric field is built up at each tip end portion of the cold cathode even if the electrode spacing is more than 1 µm, so that the flat cold cathode can function at a low voltage.
Diese und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus nachfolgender Beschreibung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen hervor; es zeigen:These and other objects and features of the present invention will become apparent from the following description based on preferred embodiments with reference to the accompanying drawings, in which:
Fig. 1: eine perspektivische Darstellung einer flachen Kaltkathode gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;Fig. 1: a perspective view of a flat cold cathode according to a preferred embodiment of the present invention;
Fig. 2: den Aufbau der Kaltkathode und der Anode bei der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 1;Fig. 2: the structure of the cold cathode and the anode in the preferred embodiment according to Fig. 1;
Fig. 3 erläuternde Darstellungen zur Veranschaulichung des Herstellungsverbis 5: fahrens für eine flache Kaltkathode in der bevorzugten Ausführungsform nach Fig. 1; undFig. 3 explanatory diagrams to illustrate the manufacturing process for a flat cold cathode in the preferred embodiment according to Fig. 1; and
Fig. 6: eine perspektivische Darstellung einer herkömmlichen flachen Kaltkathode.Fig. 6: a perspective view of a conventional flat cold cathode.
Wie in vergrößertem Maßstab wiedergegeben, hat eine flache Kaltkathode 1 dreieckige, konvexe Bereiche 4' die von einer ihrer Seitenkante horizontal abstehen, und jeder konvexe Bereich 4 hat an seinem Ende sehr spitze obere und untere Enden 2 und 3, die von der oberen bzw. der unteren Hauptebene des Bereichs definiert werden. Erfindungsgemäß ist das obere spitze Ende 2 so gebildet, daß sie - gemessen an der oberen Hauptebene - einen Krümmungsradius von 0,1 um oder darunter hat. Das untere spitze Ende 3 ist so gebildet, daß es weiter vorspringt als das obere spitze Ende.As shown on an enlarged scale, a flat cold cathode 1 has triangular convex portions 4' projecting horizontally from one of its side edges, and each convex portion 4 has very sharp upper and lower ends 2 and 3 defined by the upper and lower principal planes of the region, respectively. According to the invention, the upper pointed end 2 is formed to have a radius of curvature of 0.1 µm or less, measured at the upper principal plane. The lower pointed end 3 is formed to project further than the upper pointed end.
Fig 2 ist eine perspektivische Teilansicht des Aufbaus der Kaltkathode 1 und der Anode 5, die so angeordnet ist, daß sie der Kathode 4 gegenüberliegt. Die Elektroden 1 und 5 sind jeweils auf einem Isolationssubstrat 6 gebildet, und bei beiden ist eine Kante so gebildet, daß sie über einen konkaven Bereich des Substrats 6 hinausragt. Wenn an diese Elektroden eine Spannung angelegt wird, wobei die Anodenseite das höhere Potential erhält, wird am spitzen Endbereich eines jeden konvexen Bereichs der Kaltkathode 1 auch bei einein Elektrodenabstand von mehr als 1 um ein starkes elektrisches Feld erzeugt, was zur Elektronenemission führt.Fig. 2 is a partial perspective view of the structure of the cold cathode 1 and the anode 5 arranged to face the cathode 4. The electrodes 1 and 5 are each formed on an insulating substrate 6, and each has an edge formed to protrude from a concave portion of the substrate 6. When a voltage is applied to these electrodes with the anode side having the higher potential, a strong electric field is generated at the tip end portion of each convex portion of the cold cathode 1 even when the electrode pitch is more than 1 µm, resulting in electron emission.
Die Figuren 3 bis 5 zeigen das Herstellungsverfahren für die erfindungsgemäße flache Kaltkathode. Nach Ausbildung einer 1 um dicken SiO&sub2;-Schicht 8 als lsolationsschicht auf der Oberfläche eines Si-Substrats durch thermische Oxidation wird zur Bildung der Elektroden 1 und 5 auf der Oberfläche der SiO&sub2;-Schicht 8 eine 0,2 um dicke WSi&sub2;-Schicht abgeschieden. Auf der Oberfläche dieser WSI&sub2;-Schicht 9 werden mit einem photolithographischen Verfahren eine Resistschicht 11 mit dreieckigen, konvexen Bereichen 10 und eine Resistschicht 12, die der Resistschicht 11 gegenüberliegt, gebildet (Fig. 3). Der Krümmungsradius im Endbereich der Spitze eines jeden konvexen Bereichs 10 der Resistschicht 11 beträgt etwa 0,5 um. Anschließend erfolgt seitliches Atzen durch Eintauchen des Substrats in Nitro-Flußsäure für vier Minuten zum isotropen Ätzen, wobei gleichzeitig eine Dünnschicht-Kaltkathode 16' die unter dem spitzen Endbereich 13 der Resistschicht 11 einen spitzen Endbereich 14 mit einem sehr kleinen Krümmungsradius die die Form einer vorspringenden Hauptoberfläche 15 hat, und eine gegenüberliegende Anode 17 gebildet werden (Fig. 4). Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wurde eine Kaltkathode mit einem spitzen Endbereich 15 mit einem Krümmungsradius von etwa 300 Å gebildet. Anschließend wird die auf der Oberfläche der Kaltkathode 16 verbliebene Resistschicht 18 entfernt und das Substrat dann in eine Puffer-Ätzlösung (Lösungsgemisch aus einem Teil HF und sechs Teilen NH&sub4;F) getaucht, um das isotrope Ätzen der SiO&sub2;-Schicht 8 durchzuführen, wobei unter den Kantenbereichen der Kaltkathode und der Anode ein konkaver Bereich 20 gebildet wird und die überstehenden spitzen Endbereiche beider Elektroden gebildet werden (Fig. 5).Figures 3 to 5 show the manufacturing process for the flat cold cathode according to the invention. After forming a 1 µm thick SiO₂ layer 8 as an insulating layer on the surface of a Si substrate by thermal oxidation, a 0.2 µm thick WSi₂ layer is deposited on the surface of the SiO₂ layer 8 to form the electrodes 1 and 5. On the surface of this WSi₂ layer 9, a resist layer 11 having triangular convex portions 10 and a resist layer 12 opposite to the resist layer 11 are formed by a photolithographic process (Fig. 3). The radius of curvature in the end region of the tip of each convex portion 10 of the resist layer 11 is about 0.5 µm. Lateral etching is then carried out by immersing the substrate in nitro-hydrofluoric acid for four minutes for isotropic etching, at the same time forming a thin film cold cathode 16' which has a pointed end portion 14 with a very small radius of curvature under the pointed end portion 13 of the resist layer 11 and which has the shape of a projecting main surface 15, and an opposite anode 17 (Fig. 4). In this preferred embodiment, a cold cathode was formed with a pointed end portion 15 with a radius of curvature of about 300 Å. The remaining thin film on the surface of the cold cathode 16 is then Resist layer 18 is removed and the substrate is then immersed in a buffer etching solution (mixed solution of one part HF and six parts NH₄F) to perform isotropic etching of the SiO₂ layer 8, whereby a concave portion 20 is formed under the edge portions of the cold cathode and the anode and the protruding pointed end portions of both electrodes are formed (Fig. 5).
Wenn an die so gebildete Kaltkathode 21 und die Anode 22 eine Spannung angelegt wird, wird ein starkes elektrisches Feld von mehr als 10&sup7; V/cm erzeugt, und es erfolgt am spitzen Endbereich eine Feldemission von Elektronen.When a voltage is applied to the thus formed cold cathode 21 and the anode 22, a strong electric field of more than 10⁷ V/cm is generated, and field emission of electrons occurs at the tip end portion.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Kombination von Elektrodenmaterial und lsolationsmaterial nicht auf WSi&sub2; und SiO&sub2; beschränkt ist; vielmehr können auch W, Mo, W&sub2;C, NbC oder HfC, die einen hohen Schmelzpunkt und eine niedrige Austrittsarbeit haben und in der Puffer-Atzlösung schwer löslich sind, als Elektrodenmaterial und ein Material wie Glassheet, das in der Puffer-Atzlösung löslich ist, als Material für das Isolationssubstrat miteinander kombiniert werden.It should be noted that the combination of the electrode material and the insulating material is not limited to WSi₂ and SiO₂, but W, Mo, W₂C, NbC or HfC, which have a high melting point and a low work function and are difficult to dissolve in the buffer etching solution, can be combined as the electrode material and a material such as glass sheet which is soluble in the buffer etching solution can be combined as the insulating substrate material.
Auuch wenn bei der vorliegenden Ausführungsform das herkömmliche Photoresistmaterial verwendet wurde, kann ferner nach dein Abscheiden von SiO&sub2; oder Si&sub3;N&sub4; auf der Oberfläche eines Kaltkathodenmaterials das durch Photoätzen dieser Materialien erhaltene Material als Resistmaterial verwendet werden. Wenn diese Materialien für die Resistschicht verwendet werden, kann eine seitliche Atzinenge im Umfang von 1 um oder mehr erreicht werden.Further, although the conventional photoresist material was used in the present embodiment, after depositing SiO₂ or Si₃N₄ on the surface of a cold cathode material, the material obtained by photoetching these materials can be used as a resist material. When these materials are used for the resist layer, a lateral etching amount of 1 µm or more can be achieved.
Wenn in Anwendung der vorliegenden Ausführungsform des Herstellungsverfahrens eine Elektronenquelle hergestellt wird, die so gestaltet ist, daß mehrere Kaltkathoden einer Anode gegenüberliegen, ergibt sich auch bei Leistungsschwankungen einzelner Kaltkathoden insgesamt ein Mittelwert, so daß eine stabile Elektronenquelle gegeben ist.If, using the present embodiment of the manufacturing method, an electron source is manufactured that is designed in such a way that several cold cathodes are opposite an anode, an overall average value is obtained even if there are performance fluctuations of individual cold cathodes, so that a stable electron source is provided.
Erfindungsgemäß kann auch ohne Anwendung einer Mikrofabrikationstechnik für den Submikron-Bereich, wie der FIB-Technik, eine Kaltkathode mit spitzem Endbereich mit einem Krümmungsradius von weniger als 0,1 um einheitlich und wiederholbar hergestellt werden, so daß eine Elektronenquelle erhältlich ist, die bei einer niedrigen Spannung unter 100 V eine Feldemission von Elektronen bewirken kann. Bei Verwendung dieser Elektronenquelle wird es möglich, mit geringen Kosten ein sehr schnelles Schaltelement und ein Sichtanzeigeelement herzustellen.According to the present invention, even without using a submicron microfabrication technique such as FIB, a cold cathode having a pointed end portion with a radius of curvature of less than 0.1 µm can be uniformly and repeatably manufactured, so that an electron source capable of causing field emission of electrons at a low voltage below 100 V can be obtained. By using this electron source, it becomes possible to manufacture a high-speed switching element and a display element at a low cost.
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